自然界生物千姿百态,有动物?植物?微生物? 既是生物体的结构单位,又是功能单位?有机体是由 无论是小的细菌?支原体,还是大的参大大树?海里 一个细胞(如高等牛物的受精卵)通过高度有序的细 的鲸鱼?陆地的大象,它们都是由细胞( cell)构成的? 胞增殖?分化?生艮和发育而形成的?生物体的代L, 恩格斯曾经说过:"在整个有机界里,所看到的最简单 是以细胞为单位进行的,所以,细胞又是发育和代谢 的类型,是细胞,它确实是高级有机体的基础?"细胞 的单位?有机体有了细胞才有完整的生命活动? 及时节 细胞生物学的概念及研究内容 一?细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 微生物?遗传学?发育生物学?生理学?生物化学? 细胞是1665年英同科学家R.Hooke用自制的显 萎磊牛物学?神经牛物I等,均离不开细胞牛物I的 微镜发现的?白从细胞发现以来,随着科学技术的发展, ;基因上程?细胞工程?蛋白质上程等生物工程 研究手段的进步,特别是分子生物学方法?技术的建立? 学新技术的产牛和发展,也以细胞为对象进行研究和 渗透,对细胞的研究不断发生变化,从传统的细胞学 实践? 逐渐发展成为细胞生物学( cell biology)? 细胞生物学?发育生物学?神缢生物学和分子生 细胞/物学是研究细胞的学科,是从显微?亚显 物学是现代生命科学的新生长点,因此,细胞生物学 微及分子水平这三个层次研究细胞的结构?功能,细 彳i仅是当今生命科学中的基础学科,而且还是前沿学 胞的增殖?分化?衰老与凋亡,细胞的白噬?应激? 科/2.- ? 信号转导,细胞的基因表达与调控,细胞的起源与进 一 细胞生物学的研究内容 化,是从细胞?分子水平揭示生命本质的学科?而医 一? 学细胞/i物学是研究细胞各种结构及细胞牛命现象与 细胞生物学的研究内容包括细胞的结构和功能及 疾病发牛?发展的关系,应用这些知识为疾病的预防? 细胞的各种生命现象? 诊断?治疗及药物的开发提供理论基础和服务的学科? (一)细胞膜和细胞器的研究 所以,医学细胞生物学是医学与细胞生物学交义?融 生物膜是细胞结构的重要基础,闩然界出现细胞 合的学科,是医学的理论基础?对细胞的深入研究是 膜以后A-有了真正意义卜^的生命体,大部分细胞器是以 揭丌生命奥秘?征服疾病的关键?早(11925年,生 牛物膜为基础建立的?牛物膜的研究内容包括膜的分子 物学大师Wilson就提出:一切牛命的关键问题都要 结构模型?物质的跨膜运输及信号转导机制?细胞器的 到细胞中去寻拽?疾病的关键问题也要在小小的细胞 研究是认识细胞结构和功能的重要组成部分?近年米, 中去寻找? 胞的识别?信号转导?蛋白质合成后的运输及定 从生命结构层次来看,细胞生物学介丁-分子生物 篙券选等方面取得了巨人进展,有关膜泡运输方面的 学和个体生物学之问,同它们互相衔接?相互渗透? 凶此,细胞生物学是一门承上启卜-的学科,与分子生 研究获得了2013年的诺贝尔生理学或医学奖? 物学一样是现代牛命科学的基础,广泛渗透到遗传学? (二)细胞核?染色质及基因表达的研究 发育生物学?生殖生物学?神经生物学和免疫生物学 细胞核是真核细胞遗传物质储藏的重要场所,也 等的研究中,并与医学和生物高技术发展有着极其密 是遗传信息复制?转录的场所,核糖体业基的形成及 切的关系? 组装是在细胞核内的核仁中进行的,核膜?核孔复合 生命科学的各个分支学科,如动物学?植物学? 体是核质之间物质交换及信息传递的重要门户,染色质与基凶的表达调控是细胞核研究的核心内容? 细胞化学( cytochemistry):研究细胞结构ill化 (三)多细胞生物细胞社会的研究 学成分(主要是生物大分子成分)的定位?分布及其 对丁-多细胞生物,细胞与细胞外环境之问密t)J结 牛理功能?用切片或分离细胞成分的方法,对甲`个细 合,形成?个细胞社会,构成组织?器官才能发挥整 胞或细胞各个部分进行定性和定量的化学分析? 体功能?细胞与细胞之间?细胞与微环境之间的相互 细胞生理学( cytophysiology):研究细胞的生命 活动现象及机制,包括细胞如何从环境中摄取营养, 关系也是细胞生物学研究的重要内容? (四)细胞生命现象及其调控研究 经代谢而获得能量,进行生长?分裂或其他功能活动, 以及细胞如何对各种环境因素产生反应,而表现感应 细胞的增殖?分化?衰老?死亡和细胞的麻激等 性和运动性活动(如神经细胞传导?肌肉细胞收缩? 细胞的生命现象及其调控机制是细胞生物学研究的核 腺细胞分泌)等?近年来特别着重于从分子水平和胶 心内容,只有将这些细胞生命现象及其本质研究清楚 体水平阐明细胞生理活动过程的物理化学基础? 了,才能最终揭示生命的本质? 细胞遗传学( cytogenetics):根据染色体遗传学 (五)干细胞与细胞工程 说发展起米的一门属于细胞学与遗传学之f刚的边缘学 干细胞是一种具有自我更新能力及多向分化潜能 科?主要是从细胞学的角度,特别是从染色体的结构 的细胞,是发育中的一种细胞,对T细胞的研究有利 和行为以及染色体与其他细胞器的关系来研究遗传现 于揭示各种生命现象及其调控机制,同时在细胞的庶 象,这对遗传和变异机制的阐明?动物和植物育种理 用?细胞工程方而也具有重要意义? 论的建立?人类疾病遗传有关的问题及生物进化学说 的发展十分重要,特别对人类染色体病的诊断?治疗 三?细胞生物学的分科 和预防具有现实的意义? 细胞生物学的主要分支学科包括以下几种? 其他分支学科还有细胞生态学(cytoecoIogy)?细胞 细胞形态学( cytomorphology):研究细胞形态 能力学(cytoenergetics)?细胞动力学(cytodynamics)等? 和结构及其在生命过程中变化的学科? 第二节 细胞生物学的发展历史及趋势 细胞生物学是彳i断发展的学科,在其发展过程中 贡献而当选为英同皇家学会会员,并被授予"巴 的一些新成就,对整个生命科学起着巨大的推动作用? 黎科学院通讯院P的荣誉称号?由~名布店学徒成 细胞生物学的发展大致可划分为如下阶段? 为一位著名的科学家,他刻苦勤奋的一生,为后人树 立了自学成才的光辉榜样? 一?细胞学研究的萌芽阶段 从显微镜( microscope)的发明到19世纪初叶 一?细胞学说的创立阶段 为细胞学研究的萌芽阶段,开始了细胞学的研究?科 这一阶段大致从19世纪初叶到中叶?这一时期 学的发展总是与实验设备水平相适应的,细胞学的兴 的突出成就是创立了细胞学说? 起也不例外,细胞的发现是与显微镜的发明密切相关 在R.Hooke发现细胞后的近200年ill,由于显 的?1590年,荷j,-^眼镜制造商Z.Janssen兄弟试制成 微技术未得到成功的改进,对细胞的研究没有任何突 第`台复式显微镜?半个多世纪以后,英同科学家R. 破性进展?1827年,K.E.V Bear在蛙卵和几种无脊 Hooke用白制的显微镜观察了软木及其他植物组织? 椎动物的卵il r观察到了细胞核?1831年,R.Brown 1665年,他发表了《显微图谱》(Micrographia),其 也在j皇科和其他儿种植物表皮细胞中观察到了细胞 中关于软术的描述是最值得称道的,他将在软水中看 核?1835年,E.Dujerdin将根足生和多孔虫细胞内的 到的许多小室称为"细胞"(cell,原意为小室),实 黏稠物质称为肉样质(sarcode)?1839年,捷克学者 际卜他所见到的仅仅是植物死细胞的细胞壁,因为他 Purkinje首先提…了原生质(protoplasm)的概念?后 首先描述了这`结构,所以,细胞`词也就沿用至 米被H Von Mohl应用到植物细胞?虽然当时细胞的 今?值得一提的是荷兰科学家A. Van Leeuwenhoek 一些主要结构都被观察到了,但是,一直没有从理论 (1632~1723年),他丁1677年用自制的显微镜观 卜加以概括? 察了池塘中的纤毛虫类?人和哺乳动物的精子及细菌 德同植物学家M.J.Schleiden (1938)?动物学家 等,后来他又观察到了鲑鱼红细胞及其核?由于他的 T.Schwann (1839)根据前人的研究成果结合白己的T作}j`次提出了细胞学说( cell theory)?其主要内容 实验研究,使细胞学增加了一个重要的研究于段?J. 是:①系统地论证了细胞是动物?植物有机体的基本 Brachet用组织化学方法研究核酸在发育中的变化,最 结构甲,位,也是有机体功能的基本译位;②沧证了动物? 甲提出核酸与细胞牛命活动的关系?此外,Caspersson 植物各种组织的细胞具有共]一J的基本结构?基本特性, 设计了十分精密的显微分光光度计,根据极小范围内 并按共同规律发育,有共同的生命过程;③论证了细 的吸收光谱可以超微量地测定细胞中的核酸含量?这 胞也有自己的生长发展过程?细胞学说的建立,明确 两个方面的成就,对细胞学产生了重人影响? 了动物?植物界的统一?恩格斯对此给弘了极高的评价, 将由A.Claude发展起来的组织匀浆差速离心方 认为这是19世纪自然科学的j大发现之一? 法及以后…现的放射性核素技术应用到细胞的研究中, 使人们对细胞的代谢及某些细胞器的功能产牛了新的 三?经典细胞学阶段 认识? 这一阶段从19世纪中叶到20世纪初叶?这一时 从20世纪40年代开始,电子显微镜的应用使 期细胞学有了蓬勃的发展? 细胞形态学的研究深入到亚显微层次,不仅清楚了人 首先是实验技术的进步?1865年,Bohm首先使 部分细胞器的结构(如线粒体?叶绿体?高尔基复合体? 用苏木精对细胞进行染色,而Corti (1851)和Hartig 中心体等),而且结合细胞生化的成果,逐渐把结构 (1854)则使用洋红对细胞进行了染色?Oschatz设计 和功能统+起米,同时对细胞质也有更为深入的了解? 出第`台切片机?1878年,Ernest Abbe设计出近代的 五?细胞生物学阶段 复式显微镜,这种显微镜具有消色差物镜,并具有载 物台下照明的聚光器?这些仪器和技术对细胞学的发 这一阶段始自20世纪60年代?这一时期对细胞 展都起到了极人的推动作用? 的研究从各个方面都有深入和扩展?形态方面,从显 19世纪70年代,有三位细胞学家(Strasburger? 微层次深入到亚显微层次,甚至分子层次,进而扩展 Butschil及0.Hertwig)儿乎同时描述了细胞核分裂时 到对活细胞的观察和实验研究;从单纯的形态描述, 的变化?其中0.Hertwig用硼酸洋红染色观察到在赤 进入到形态与功能和牛化研究的结合?牛命科学各分 道板上有着色的线状或棒状物体?后来这种着色的线 支学科——遗传学?胚胎学?生理学殁进化的研究, 状物体被Waldyer命名为染色体?Flemming将细胞分 都力求深入到细胞层次和亚细胞层次来解释各种生命 裂命名为有丝分裂(mitosis)?Strasburger根据染色体 现象?细胞学的发展已经超出原有的范围,并向细胞 的行为将有丝分裂分为前期?中期?后期和术期? 生物学转变?可以说,细胞生物学是在分子遗传学和 1882年,Strasburger首先发现一种百